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第三节万有引力定律的应用
万有引力定律的现对天文发学的发展起到了巨大的推动作用,尤其在天体物理学计算、天文观测、卫星发射和回收等天文活动中,万有引力定律可称为最有力的工具。
牛顿通过万有引|力定律的计算,大胆预测:地球由于自转作用,赤道部分应该隆起,成为两极扁平的椭圆体。
18世纪,法国科学院的测量结果证实了牛顿的推论。
一、预测地球形状
被称为“万岛国”、“半夜太阳国”的挪威北欧斯堪的纳维亚半岛西部,依赖着有利的自然条件(海岸线较长),古老的民族过着以捕鱼为生的闲逸生活,勤劳的挪威人不辞辛劳沿海千里迢迢把鱼儿运往赤道附近,意想不到的事情发生了。贩鱼到赤道附近时,鱼儿变轻了,收入总比预想的要少一些,这是为什么呢?
在纬度θ处相对于地球静止地悬挂着一个质量为m的物体,
结合万有引力定律和圆周运动的知识,解释该现象
它受到地球的引力大小为
分力:F1=FT=mg
分力:
当物体从两极移向赤道时,纬度θ减小
g
重力加速度随着纬度增大而增大,减小而减小
F1
F2
二、预测未知天体
提出问题:天文学家观测天王星的运行轨道,发现其轨道与根据万有引力定律计算出来的轨道之间存在明显的偏差,是什么原因造成的呢?为此,科学家们提出了各种猜想:
(1)可能第以前观测的数据不准确;
(2)可能是其他星体对他的吸引造成的;
(3)可能是万有引力定律本身就是错误的;
……
为了检验各种猜想,科学家们开始收集证据验证。
科学推理:亚当斯和勒威耶分别独立推算一颗新行星的运行轨迹。
实践检验:柏林天文台的望远镜对准亚当斯和勒威耶计算出来的轨道位置观测,发现了一颗新的行星——海王星。1846年9月23日晚,由德国的伽勒在勒威耶预言的位置附近发现了这颗行星,人们称其为“笔尖下发现的行星”。
在牛顿之前,彗星被看作是一种神秘的现象.英国天文学家哈雷从1337年到1698年的彗星记录中挑选了24颗彗星,依据万有引力定律,用一年的时间计算出了它们的轨道。哈雷把这些彗星加以比较研究之后,获得了一个重要的发现:原来在1531年、1607年和1682年出现的三颗彗星的轨道几乎是重合的。于是哈雷断定这三次所看到的其实不是三颗不同的彗星,而是同一颗彗星,它每隔76年再回到太阳附近。并预言它将于1758年底或者1759年初再次回归。1759年3月这颗彗星如期通过了近日点,它最近一次回归是1986年,他的下一次回归将是2061年左右。
海王星的发现,以及英国天文学家哈雷根据万有引力定律预言的哈雷彗星“按时回归”,充分显示了理论对于实践的巨大指导作用。
我们可以通过天平直接测出物体的质量,或者用密度与体积的乘积来计算出物体的质量。但是对于像月球、地球、太阳这种质量、体积巨大、密度不均匀的天体,如何确定其质量呢?
思考
三、估算天体的质量
例:月球绕地球的运动可以近似看做匀速圆周运动。设月球绕地球运动的周期为T,月球中心到地心的距离为r,引力常量为G,地球半径为R,地球表面的重力加速度为g,利用这些已知条件,有多少种方法可以估算地球的质量?
根据牛顿第二定律:
方法一:月球绕地球做匀速圆周运动,由万有引力提供向心力
方法二:在地球表面附近,物体受到的重力近似等于地球对物体的万有引力
同样知道地球半径R和地租表面的加速度g也可以计算出地球的质量。
R、T2
rT1
近地卫星
思考:已知r、v或者r、ω可以求中心天体的质量吗?密度吗?
(1)万有引力提供向心力可求质量
易错提醒——计算中心天体的质量、密度时的两点区别
(1)天体半径和卫星的轨道半径
通常把天体看成一个球体,天体的半径指的是球体的半径。卫星的轨道半径指的是卫星围绕天体做圆周运动的圆的半径。卫星的轨道半径大于等于天体的半径。
(2)自转周期和公转周期
自转周期是指天体绕自身某轴线运动一周所用的时间,公转周期是指卫星绕中心天体做圆周运动一周所用的时间。自转周期与公转周期一般不相等。
小结:
天体质量和密度常用的估算方法
天体质量和密度常用的估算方法
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教师资格证持证人
我是一名长期耕耘在湖南湘西地区基层高中的教师,已带过5届高三毕业班,多年的高中班主任,备课组组长,我想把我们自己制作的教学课件和高考研习心得收获分享给大家,为大家提供高考相关资料和高中各学科的自制教学课件,助力更多的孩子们一起成长!
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